(57)【要約】【課題】  電子部品と基板との接合部に加わる落下衝撃による応力を、精度良く測定することができるテスト基板並びに接合部の応力測定方法を提供する。【解決手段】  テスト基板１において、基板２と、基板２の表面上に設けられた第１電極９と、第１電極９上に積層された圧電素子１０と、圧電素子１０上に積層された第２電極１１と、基板２上に設けられ、第１電極９に接続された第１外部端子５と、基板２上に設けられ、第２電極１１に接続された第２外部端子６とを備える。【選択図】    図１
2007033194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の表面上に設けられた第１電極と、
前記第１電極上に積層された圧電素子と、
前記圧電素子上に積層された第２電極と、
前記基板上に設けられ、前記第１電極に接続された第１外部端子と、
前記基板上に設けられ、前記第２電極に接続された第２外部端子と、
を備えたことを特徴とするテスト基板。
【請求項２】
前記圧電素子は、ピエゾフィルムであることを特徴とする請求項１記載のテスト基板。
【請求項３】
請求項１記載の前記テスト基板の前記第２電極に電子部品を接合した前記テスト基板を落下衝撃試験機に取付ける工程と、
前記落下衝撃試験機において前記テスト基板を落下させて前記圧電素子に衝撃を加える工程と、
前記圧電素子から前記衝撃によって出力される信号を検知し、前記第２の電極と前記電子部品との接合部の応力を測定する工程と、
を備えたことを特徴とする接合部の応力測定方法。
【請求項４】
前記テスト基板の第２の電極と前記電子部品との接合部に信号を供給し、前記接合部の破損状態を測定する工程を更に備えたことを特徴とする請求項３記載の接合部の応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テスト基板及び接合部の応力測定方法に関し、特に電子部品実装デバイスの落下衝撃試験において電子部品と回路基板との接合部の衝撃ストレスの測定に使用するテスト基板及びそのテスト基板を用いた接合部の応力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣ、ＬＳＩ、抵抗素子、容量素子等の電子部品を基板にハンダ接合した電子部品実装デバイスの落下衝撃試験方法において、ハンダ接合部にどの程度の衝撃が加わるまでハンダ接合部の導通を維持できるかという、ハンダ接合部の落下に対する信頼性を定量的に表わす、下記非特許文献１に記載された方法が知られている。
【０００３】
非特許文献１に記載された方法では、電子部品を基板にハンダ接合し、さらに、その基板における電子部品のハンダ接合部の裏面側に歪みゲージを取付けた評価サンプルを準備し、この評価サンプルを落下衝撃試験機を用いて落下させている。そして、落下衝撃によるハンダ接合部の断線発生回数をカウントし、及び、基板の歪みを歪みゲージにより測定し、ハンダ接合部の断線発生回数が設定値以下である範囲の歪みゲージの測定値を用い、ハンダ接合部の導通を維持できる落下に対する信頼性を定量的に表している。
【非特許文献１】エレクトロニクス実装学会誌  Ｖｏｌ．６  Ｎｏ．１(２００３)ｐ．７３−７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１に記載された方法では、以下の点について配慮がなされていない。非特許文献１に記載された歪みゲージは、ハンダ接合部の歪みを直接測定するものではなく、しかも、歪みゲージの取付面積はハンダ接合部の面積に比べて大きい。このため、この歪みゲージによる測定値にはハンダ接合部に作用する応力以外の要素、例えば、基板の撓み等が含まれることになり、非特許文献１に記載された方法により得られたハンダ接合部の落下に対する信頼性を定量的に表わす数値は、ハンダ接合部の落下に対する信頼性を正確に表わしていない。
【０００５】
本発明は前述の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、電子部品と基板との接合部に加わる落下衝撃による応力を、精度良く測定することができるテスト基板並びに接合部の応力測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、テスト基板において、基板と、前記基板の表面上に設けられた第１電極と、前記第１電極上に積層された圧電素子と、前記圧電素子上に積層された第２電極と、前記基板上に設けられ、前記第１電極に接続された第１外部端子と、前記基板上に設けられ、前記第２電極に接続された第２外部端子と、を備える。
【０００７】
本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、接合部の応力測定方法において、請求項１記載の前記テスト基板の前記第２電極に電子部品を接合した前記テスト基板を落下衝撃試験機に取付ける工程と、前記落下衝撃試験機において前記テスト基板を落下させて前記圧電素子に衝撃を加える工程と、前記圧電素子から前記衝撃によって出力される信号を検知し、前記第２の電極と前記電子部品との接合部の応力を測定する工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電子部品と基板との接合部に加わる落下衝撃による応力を、精度良く測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るテスト基板１は、図１及び図２に示すように、例えばエポキシ樹脂により形成された基板２の表面上に、複数の実装用電極３と１つの応力測定用電極４とが形成されている。これらの実装用電極３と応力測定用電極４とはアレイ状に配列されている。応力測定用電極４は、実装用電極３と応力測定用電極４とをアレイ状に配列した配列のなかの１つのコーナー部に位置付けられている。さらに、基板２には、実装用電極３が配列された領域と別の領域、具体的には基板２の周辺部分に、第１外部端子５と第２外部端子６、及び、第１引出配線７と第２引出配線８が形成されている。第１引出配線７は、応力測定用電極４と第１外部端子５との間を電気的に接続し、第２引出配線８は応力測定用電極４と第２外部端子６との間を電気的に接続している。
【００１１】
なお、第１の実施の形態では応力測定用電極４を１つ形成した場合を例に挙げて説明したが、応力測定用電極４を２つ以上形成してもよい。応力測定用電極４を2つ以上形成した場合は、各応力測定用電極４ごとに、第１外部端子５、第２外部端子６、第１引出配線７、第２引出配線８を形成する。また、２つ以上の応力測定用電極４を形成する場合、その応力測定用電極４を形成する位置は、アレイ状に配列された複数の実装用電極３のうちのコーナー部に位置するものと置き換える位置であることが好適である。
【００１２】
応力測定用電極４は、図２に示すように、基板２の表面上に設けられた第１電極９と、第１電極９上に積層された圧電素子１０と、圧電素子１０上に積層された第２電極１１とにより形成されている。第１電極９と第１外部端子５とが第１引出配線７により電気的に接続され、第２電極１１と第２外部端子６とが第２引出配線８により電気的に接続されている。
【００１３】
テスト基板１の特に応力測定用電極４は、図３（ａ）〜図３（ｈ）に示す工程により形成される。
【００１４】
図３（ａ）に示す工程では、エポキシ樹脂の基板２の表面に銅薄膜１２が形成される。銅薄膜１２は、電気メッキ、蒸着等により形成される。
【００１５】
図３（ｂ）に示す工程では、銅薄膜１２をエッチングすることにより第１電極９、第１引出配線７、第１外部端子５、及び、複数の実装用電極３（第１外部端子５、実装用電極３は図示せず）が形成される。これらの第１電極９、第１引出配線７、第１外部端子５、実装用電極３は、銅薄膜１２の上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜を所定のパターンに露光し、露光されなかった部分のレジスト膜を除去してマスクを形成し、このマスクを使用して銅薄膜１２をエッチングにより除去することにより形成される。マスクは最後に除去される。第１電極９等以外の領域には絶縁膜１３が埋設され、基板２の表面全体が平坦化される。
【００１６】
図３（ｃ）に示す工程では、第１電極９上を含む絶縁膜１３上の全面にシート状のピエゾフィルム１０ａが貼り付けられる。ピエゾフィルム１０ａの貼り付けは、導電性接着剤を用いて行われる。
【００１７】
ピエゾフィルム１０ａとしては、特に限定しないが、米国ＭＳＩ（Measurement Specialties,Inc）社製のＰＤＴシリーズ（http://www.t-sensor.co.jp/PIEZO/FDT/ 参照）やＤＴシリーズ（http://www.t-sensor.co.jp/PIEZO/DT/ 参照）などを使用することができる。この種のシリーズのピエゾフィルム１０ａは良好な加工性を有し、硬質圧電素子（ピエゾセラミック等）と比較して、例えば０．０３ｍｍの薄型化が容易である。
【００１８】
つまり、ピエゾフィルム１０ａを使用して圧電素子１０を形成することにより、圧電素子１０を含むテスト基板１の全体の厚さは、圧電素子１０を含まない基板の厚さと略同じになる。
【００１９】
図３（ｄ）に示す工程では、ピエゾフィルム１０ａ上にそのパターンニングを行うマスク１４が形成される。このマスク１４は、図３（ｂ）に示す工程で説明したように、ピエゾフィルム１０ａ上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜を所定のパターンに露光し、露光されなかった部分のレジスト膜を除去することにより形成される。
【００２０】
図３（ｅ）に示す工程では、マスク１４を使用してピエゾフィルム１０ａにエッチングが行われ、マスク１４下以外のピエゾフィルム１０ａが除去されるとともに、マスク１４下に残されたピエゾフィルム１０ａにより圧電素子１０が形成される。マスク１４はこの後に除去される。
【００２１】
図３（ｆ）に示す工程では、圧電素子１０以外の領域に絶縁膜１５が埋設され、基板２の表面全体が平坦化される。
【００２２】
図３（ｇ）に示す工程では、圧電素子１０上に第２電極１１が積層されるとともに、同一層において第２引出配線８と、第２外部端子６（第２外部端子６は図示せず）とが形成される。これらの第２電極１１、第２引出配線８、第２外部端子６は、圧電素子１０と絶縁膜１５との上に銅薄膜を形成し、この銅薄膜を図３（ｂ）に示す工程で説明したようにフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を使用することにより形成することができる。第２電極１１等以外の領域には絶縁膜１６が埋設され、基板２の表面全体が平坦化される。
【００２３】
図３（ｈ）に示す工程では、第２電極１１と、第２引出配線８と、第２外部端子６、及び、絶縁膜１６の上にソルダレジスト１７が塗布される。ソルダレジスト１７は、第２電極１１表面を露出させ、及び、第２電極１１の周縁部を覆うように塗布される。
【００２４】
ソルダレジスト１７が第２電極１１の周縁部を覆うように塗布されることにより、ソルダレジスト１７は応力測定用電極４を押さえる作用を発揮する。このため、テスト基板１の第２電極１１に電子部品１８をハンダ接合した評価サンプル１９（図４参照）を用いて行う後述する落下衝撃試験時において、第２電極１１と圧電素子１０との間の剥れ難さ、圧電素子１０と第１電極９との間の剥れ難さを高めることができる。
【００２５】
応力測定用電極４を備えたテスト基板１に対し、図４に示すように、ハンダ（バンプ電極）２０を用いて電子部品１８をハンダ接合することにより、評価サンプル１９が形成される。図４では、電子部品１８に設けられている一つの接続端子（図示せず）を第２電極１１にハンダ接合した部分のみを示している。図示しないが、テスト基板１の複数の実装用電極３と電子部品１８の複数の接続端子との間もハンダ２０を用いてハンダ接合されている。
【００２６】
評価サンプル１９は、応力測定用電極４を有さずに複数の実装用電極３のみがアレイ状に配列された基板（製品用基板）に対して電子部品をハンダ接合した実際の製品に倣って作製されている。評価サンプル１９と実際の製品との異なる点は、評価サンプル１９では応力測定用電極４が形成されている部分が、実際の製品では実装用電極３となっている点である。なお、テスト基板１をそのまま製品用基板として用いることも可能である。
【００２７】
評価サンプル１９を落下衝撃試験機２１（図５参照）に取付けて落下衝撃試験を行うことにより、第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部に作用する応力、特にハンダ接合部に加わる垂直応力（基板２表面に対して垂直方向に発生する応力）を、圧電素子１０の圧電効果を利用して測定することができる。この圧電効果とは、圧電素子１０に歪み（変形）を与えることにより、圧電素子１０からその歪み量に応じた電圧が発生することである。
【００２８】
落下衝撃試験機２１は、図５に示すように、ベース２２と、ベース２２に立設された複数本（例えば、３本又は４本）の支柱２３と、これらの支柱２３により昇降可能に保持された治具２４とを備えている。治具２４は、実線で示す上昇位置と、仮想線で示す衝突位置との間で昇降可能に設けられている。
【００２９】
治具２４の上面側には、評価サンプル１９を取付ける取付部２５が設けられている。治具２４の下面側には、衝突用凸部２６が形成されている。ベース２２には、衝突受け部２７が形成されている。治具２４を実線で示す上昇位置から落下させると、治具２４が仮想線で示す衝突位置に落下したときに衝突用凸部２６が衝突受け部２７に衝突する。この衝突に伴い、治具２４に取付けられている評価サンプル１９の圧電素子１０、及び、第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部に応力が作用する。
【００３０】
治具２４に取付けられた評価サンプル１９の第１外部端子５及び第２外部端子６と、電圧計２８との間には、信号取出線であるリード線２９が接続されている。この電圧計２８では、落下衝撃試験時に圧電素子１０において圧電効果により発生した電圧を、落下衝撃試験時に圧電素子１０から出力される信号として測定される。
【００３１】
応力測定用電極４の寸法が小さい場合には、圧電素子１０から出力される電圧値が小さくなることが予想される。この場合には、高感度の測定系が必要となるが、リード線２９の長さが長いため感度の劣化が起こり、圧電素子１０からの出力を精度良く測定することができなくなる。これを解消するために、リード線２９の部分影響を受けない電荷量を測定し、ハンダ接合部に作用する応力値を求める。この際の測定には、電荷量を電圧信号に変換するチャージアンプを用いる。
【００３２】
ここで、落下衝撃試験機２１を用いて行う、評価サンプル１９における第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部に作用する応力を測定する応力測定方法の工程について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３３】
まず、テスト基板１に電子部品１８をハンダ接合し、評価サンプル１９を作製する（Ｓ１）。作製した評価サンプル１９を落下衝撃試験機２１の治具２４に取付ける（Ｓ２）。評価サンプル１９を取付けた治具２４は、上昇位置に保持しておく。
【００３４】
つぎに、落下衝撃試験機２１の治具２４に取付けられた評価サンプル１９に形成されている第１外部端子５及び第２外部端子６と電圧計２８との間にリード線２９を接続する（Ｓ３）。
【００３５】
リード線２９の接続が終了した後、上昇位置に保持しておいた治具２４を評価サンプル１９と共に衝突位置へ落下させ、第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部、及び、圧電素子１０に衝撃を加える（Ｓ４）。
【００３６】
圧電素子１０に衝撃が加わることにより圧電素子１０からは圧電効果による電圧が発生し、発生した電圧は電圧計２８により測定される（Ｓ５）。
【００３７】
電圧計２８により測定された電圧値からハンダ接合部に作用する応力値を求める換算を行い、圧電素子１０及び第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部に作用する応力値を求める（Ｓ６）。
【００３８】
さらに、落下高さを変えて落下衝撃試験を繰り返し、圧電素子１０、及び、第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部に作用する応力値を求めるとともに、各落下衝撃試験ごとに第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部の導通状態を測定する（Ｓ７）。これにより、第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部に作用する応力値と、応力値に応じて導通を維持できるか否かの相関関係を求めることができる。そして、導通が維持できる範囲の最大の応力値を用いて、ハンダ接合部の落下に対する信頼性を定量的に表わす（Ｓ８）。
【００３９】
ここで、評価サンプル１９を用いて行った第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部に作用する応力の測定では、ハンダ接合部と略同じ面積に形成されている圧電素子１０を用いているため、ハンダ接合部に作用する実際の応力を高精度に測定することができる。そして、この評価サンプル１９は、実際の基板に対して電子部品をハンダ接合した実際の製品に倣って作製されているので、実際の製品が落下した場合にハンダ接合部に作用する応力と略同じ応力を測定することができる。このため、落下衝撃試験により得られた測定結果を、実際の製品の落下に対する信頼性設計に有効に反映させることができる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態を図７に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態において説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４１】
第２の実施の形態の基本的構成は第１の実施の形態と同じである。第２の実施の形態と第１の実施の形態との異なる点は、落下衝撃試験時において、第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部に作用する応力値の値を測定することに加え、第２電極１１と電子部品１８との間の導通状態の測定を自動的に行う点である。
【００４２】
第２の実施の形態のテスト基板１Ａには、第１の実施の形態で説明したテスト基板１の構成に対し、テスト基板１Ａに形成された実装用電極３０に接続された回路３１が形成されている。テスト基板１Ａに電子部品１８をハンダ接合して評価サンプル１９Ａを形成したときに、回路３１と電子部品１８内の回路３２と第２引出配線８とにより、第２電極１１と電子部品１８との間の導通状態を測定するための導通測定用回路３３が形成される。
【００４３】
第２の実施の形態の評価サンプル１９Ａにおける第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部に作用する応力を測定する応力測定方法では、第１の実施の形態で説明した応力測定方法の工程に対し、電源３４と導通検知部として機能する電流計３５とに導通検知線３６を用いて評価サンプル１９Ａを直列に接続する工程が追加され、図６のＳ７で示した導通状態の測定工程に代えて、電流計３５を用いた導通状態の測定が行われる。
【００４４】
落下衝撃試験時に第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部の導通が不良となるタイミングは、電流計３５の測定結果により確認することができる。そして、この電流計３５により測定結果と、電圧計２８の測定結果とから、第２電極１１と電子部品１８との間のハンダ接合部に作用する応力値がいくつのときに、そのハンダ接合部の導通が不良になるかを高精度に測定することができる。
【００４５】
なお、上述した第１の実施の形態及び第２の実施の形態においては、第２電極１１と電子部品１８との接合について、ハンダ接合を例に挙げて説明したが、第２電極１１と電子部品１８との接合はハンダ接合に限定されるものではない。例えば、銀ペーストの導電性接着剤により接合する場合にも本発明を適用することができる。
【００４６】
また、上述した第１の実施の形態及び第２の実施の形態においては、実装用電極３、３０及び応力測定用電極４を円形にした場合を例に挙げて説明したが、これらの実装用電極３、３０及び応力測定用電極４の形状は円形に限定されるものではなく、例えば矩形であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るテスト基板を示す平面図である。
【図２】図１に示すテスト基板における応力測定用電極の構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す応力測定用電極を形成する工程を示す工程図である。
【図４】テスト基板に電子部品をハンダ接合した評価サンプルにおける応力測定用電極の部分を示す断面図である。
【図５】落下衝撃試験機を示す概略図である。
【図６】ハンダ接合部に作用する応力を測定する応力測定方法の工程を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る評価サンプルにおける応力測定用電極の部分を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…テスト基板、１Ａ…テスト基板、２…基板、５…第１外部端子、６…第２外部端子、９…第１電極、１０…圧電素子、１０ａ…ピエゾフィルム、１８…電子部品、２１…落下衝撃試験機
【図１】
2007033194.tif 000003
【図２】
2007033194.tif 000004
【図３】
2007033194.tif 000005
【図４】
2007033194.tif 000006
【図５】
2007033194.tif 000007
【図６】
2007033194.tif 000008
【図７】
2007033194.tif 000009